前坪水庫(kù)蓄水運(yùn)行期水體富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)分析

楊 剛 王 萍 馬 威 皇甫澤華

一、前言

北汝河發(fā)源于河南省嵩縣車村鄉(xiāng)，流經(jīng)嵩縣的竹園鄉(xiāng)上莊村婁子溝進(jìn)汝陽(yáng)縣境內(nèi)，至小店鄉(xiāng)黃屯村東北入平頂山市境內(nèi)。前坪水庫(kù)選址位于沙潁河支流北汝河上游，擬建成為防洪為主，結(jié)合灌溉、供水與發(fā)電等綜合利用的大型水庫(kù)工程，總面積約560km2，共有50余萬(wàn)畝耕地。前坪水庫(kù)是《淮河流域防洪規(guī)劃》中確定在北汝河干流上修建的以防洪為主的大型水庫(kù)，建成后北汝河防洪標(biāo)準(zhǔn)將由不足10年一遇提高到20年一遇。

水體富營(yíng)養(yǎng)化及水華問(wèn)題已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)眾多水庫(kù)面臨的嚴(yán)重問(wèn)題。長(zhǎng)久以來(lái)，對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化及水華的成因與機(jī)制研究是眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。前坪水庫(kù)作為多用途綜合利用的大型水庫(kù)，其水質(zhì)問(wèn)題在很大程度上影響著經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。本文通過(guò)分析工程涉及區(qū)域富營(yíng)養(yǎng)化關(guān)鍵因子監(jiān)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)該工程運(yùn)行中產(chǎn)生水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。

二、建庫(kù)前氮、磷含量

根據(jù)《2013年許昌市環(huán)境狀況公報(bào)》，北汝河下游地表水環(huán)境質(zhì)量與往年基本持平。表明建庫(kù)區(qū)水質(zhì)穩(wěn)定，滿足相應(yīng)水功能區(qū)水質(zhì)要求。圖1是2013年對(duì)前坪水庫(kù)下游紫羅山水文站總磷的全年檢測(cè)結(jié)果，該監(jiān)測(cè)斷面檢測(cè)結(jié)果均達(dá)到地表水III水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）要求，全年監(jiān)測(cè)總氮結(jié)果均小于0.20mg/L，滿足相應(yīng)區(qū)域水功能區(qū)要求。在3月份及4月份，總磷含量呈現(xiàn)較高水平。前坪水庫(kù)建成后應(yīng)在3月份與4月份加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，需要密切關(guān)注水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

圖2與圖3分別是2014年7月對(duì)庫(kù)區(qū)水體連續(xù)三天進(jìn)行的總磷與總氮檢測(cè)結(jié)果，表明總磷與總氮含量穩(wěn)定且處于低濃度水平，總磷含量在趙莊監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)較高，總氮含量在婁子溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)較高。總體而言，檢測(cè)結(jié)果表明對(duì)建庫(kù)后初期庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響較小。在水庫(kù)建成運(yùn)行中需重點(diǎn)關(guān)注總磷含量的變化，采取必要措施控制總磷向庫(kù)區(qū)的輸入。

2015年在前坪水庫(kù)壩址及其下游進(jìn)行了連續(xù)三天的總磷與總氮檢測(cè)（圖4與圖5），總磷含量穩(wěn)定且在地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）III類限值內(nèi)，總氮檢測(cè)結(jié)果均超出該標(biāo)準(zhǔn)的III類標(biāo)準(zhǔn)限值。總磷、總氮超標(biāo)與上游農(nóng)業(yè)面源排放有很大關(guān)系，也可能與當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)未建生活污水處理設(shè)施，生活污水隨地表徑流進(jìn)入北汝河有關(guān)。對(duì)水庫(kù)建成后富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)防控而言，總磷含量成為前坪水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的限制因子。前坪水庫(kù)運(yùn)行后，應(yīng)采取必要的污水處理措施，加強(qiáng)對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水的處理及上游農(nóng)業(yè)面源污染的管理。

圖1 前坪水庫(kù)下游（北汝河紫羅山水文站）2013年總磷含量變化圖

圖2 2014年7月對(duì)北汝河庫(kù)區(qū)連續(xù)三天取樣檢測(cè)總磷結(jié)果圖

圖3 2014年7月對(duì)北汝河庫(kù)區(qū)連續(xù)三天取樣檢測(cè)總氮結(jié)果圖

圖4 前坪水庫(kù)壩址及其下游2015年總磷檢測(cè)結(jié)果圖

圖5 前坪水庫(kù)壩址及其下游2015年總氮檢測(cè)結(jié)果圖

按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目要求，所測(cè)各點(diǎn)土壤環(huán)境質(zhì)量良好，各項(xiàng)重金屬檢測(cè)指標(biāo)均滿足二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)各測(cè)點(diǎn)土壤中總磷、總氮檢測(cè)結(jié)果如圖6，總磷均呈現(xiàn)在較低的含量水平；總氮含量則在黃莊下河灘處呈現(xiàn)出較高的水平。水庫(kù)建成后，庫(kù)區(qū)土壤中總磷、總氮等對(duì)庫(kù)區(qū)水體環(huán)境質(zhì)量影響程度，還需要進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。作為典型山區(qū)輕度營(yíng)養(yǎng)型水庫(kù)，周駿等對(duì)尹府水庫(kù)底泥氮磷釋放規(guī)律研究表明，TN表現(xiàn)為上覆水體的內(nèi)源，但輕度富營(yíng)養(yǎng)化尹府水庫(kù)的底泥吸附上覆水體的磷，中營(yíng)養(yǎng)化、富營(yíng)養(yǎng)化水庫(kù)的底泥向上覆水體釋放磷。前坪水庫(kù)的環(huán)境特征與尹府水庫(kù)極為相似，其研究結(jié)果對(duì)前坪水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化防控具有一定的參考價(jià)值。前坪水庫(kù)建成運(yùn)行后，在控制總磷外源輸入的同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注底泥中總磷的釋放對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響。

三、建庫(kù)后富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)分析

水庫(kù)建成后壩上的環(huán)境問(wèn)題主要是庫(kù)周及庫(kù)尾居民生產(chǎn)生活產(chǎn)生的污染，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，居民環(huán)境與生態(tài)保護(hù)意識(shí)不強(qiáng)，居民養(yǎng)殖廢水直排，生活垃圾亂堆問(wèn)題普遍，生活污水無(wú)集中處理設(shè)施，環(huán)境污染源主要為面源污染。

入庫(kù)面源污染量：前坪水庫(kù)控制流域農(nóng)業(yè)污染主要來(lái)自農(nóng)田徑流、分散式畜禽養(yǎng)殖等。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查：畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》統(tǒng)計(jì)測(cè)算，前坪水庫(kù)控制流域農(nóng)業(yè)污染源總氮502.62t/a，總磷26.48t/a；生活污染源核算總氮258.82t/a，總磷22.63t/a。綜合考慮各因素，農(nóng)業(yè)污染入庫(kù)系數(shù)取0.25，生活污染入庫(kù)系數(shù)取0.08，統(tǒng)計(jì)入庫(kù)面源污染量見表1。總磷、總氮污染物入河量中，畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)率均在60%以上，表明控制畜禽養(yǎng)殖污染物入庫(kù)，是前坪水庫(kù)運(yùn)行后預(yù)防富營(yíng)養(yǎng)化的重點(diǎn)。

表2是在規(guī)劃水平年污染物排放入庫(kù)量的預(yù)測(cè)結(jié)果。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠未建成情況下，2025年前坪水庫(kù)控制流域生活污染源總磷與總氮分別為24.19t與276.63t；庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠已建成情況下，生活污染源總磷和總氮分別為3.47t與103.81t（農(nóng)業(yè)污染源總磷、總氮分別24.49t與464.8t計(jì)）。根據(jù)預(yù)測(cè)，前坪水庫(kù)控制流域污染物主要源自農(nóng)業(yè)污染。

水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)：規(guī)劃水平年入庫(kù)污染負(fù)荷（庫(kù)區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理未建成）總磷、總氮分別為138.33t/a和8.06t/a；庫(kù)區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理建成運(yùn)行時(shí)則分別為124.87t/a和6.41t/a。前坪水庫(kù)蓄水后流速變緩，水體交換能力變差，在營(yíng)養(yǎng)物來(lái)源豐富、富集條件好的庫(kù)灣和庫(kù)尾、支流回水區(qū)等地區(qū)，水庫(kù)存在出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。表3對(duì)不同水文年條件下水庫(kù)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的預(yù)測(cè)。P=95%特枯水文年，在未建城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施時(shí)，水庫(kù)運(yùn)行極有可能出現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化；在運(yùn)行城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施時(shí)，庫(kù)區(qū)水質(zhì)得到一定的改善，但其綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)接近最大允許值，說(shuō)明存在發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的可能，仍受輕度富營(yíng)養(yǎng)化威脅。TP富營(yíng)養(yǎng)化控制理想濃度0.02mg/L；在不利的水文條件下需要控制總磷的入庫(kù)量。

四、對(duì)策與建議

針對(duì)不同類型水庫(kù)的研究，防治水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的對(duì)策與措施較多。在水庫(kù)預(yù)測(cè)條件下，前坪水庫(kù)運(yùn)行后水體呈中度營(yíng)養(yǎng)水平，局部水域可能會(huì)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。根據(jù)前坪水庫(kù)的特點(diǎn)及水質(zhì)特征與相似水庫(kù)的管理經(jīng)驗(yàn)，前坪水庫(kù)在運(yùn)行中需要重點(diǎn)從以下方面采取措施，防止前坪水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

一是控制污染源，嚴(yán)格控制含氮、磷元素的污染源進(jìn)入庫(kù)區(qū)。限制庫(kù)區(qū)及水庫(kù)上游養(yǎng)殖業(yè)與畜牧業(yè)規(guī)劃及數(shù)量；加強(qiáng)生活污水集中處理能力與效果；在水源上游、入庫(kù)河渠及重點(diǎn)庫(kù)區(qū)建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)總氮、總磷等水質(zhì)監(jiān)測(cè)。二是降低營(yíng)養(yǎng)物水平，控制富營(yíng)養(yǎng)化所需氮、磷含量。由于含氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉降作用，水庫(kù)深層水體中營(yíng)養(yǎng)化程度會(huì)高于表層，可通過(guò)改善水庫(kù)排水方式等措施降低庫(kù)區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)物含量。如加快水庫(kù)水循環(huán)能力，從深層開始排水等方式。在條件許可時(shí)，對(duì)庫(kù)區(qū)底泥進(jìn)行清淤，也是有效降低營(yíng)養(yǎng)物含量的方式之一。三是強(qiáng)化水庫(kù)管理，落實(shí)管理制度。水庫(kù)職能管理部門應(yīng)制定水源保護(hù)管理辦法，建立管理激勵(lì)機(jī)制，進(jìn)一步削弱面源污染量；前坪水庫(kù)運(yùn)行后將作為飲用水水源保護(hù)地，因此嚴(yán)禁網(wǎng)箱養(yǎng)殖、肥水養(yǎng)殖等行為；水庫(kù)庫(kù)尾、庫(kù)叉區(qū)是富營(yíng)養(yǎng)化重點(diǎn)防治區(qū)，因此運(yùn)行期間要加強(qiáng)環(huán)境管理與富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)。此外，還需要相關(guān)部門積極投資建設(shè)并運(yùn)營(yíng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染處理廠，改進(jìn)施肥技術(shù)與推廣新型肥料來(lái)提高肥料利用率，從而減輕水體氮、磷污染。

表1 前坪水庫(kù)當(dāng)前入庫(kù)面源污染量統(tǒng)計(jì)表

表2 2025年污染物排放及入庫(kù)量預(yù)測(cè)表

表3 水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)狀況預(yù)測(cè)表

氮、磷是湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生起決定作用。前坪水庫(kù)的庫(kù)尾及庫(kù)叉區(qū)是富營(yíng)養(yǎng)化防范的重點(diǎn)，運(yùn)行期要加強(qiáng)庫(kù)尾與庫(kù)叉區(qū)環(huán)境管理和富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)。前坪水庫(kù)建成運(yùn)行期水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化主要受到面源污染。總磷是前坪水庫(kù)運(yùn)行后水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制因子，蓄水初期庫(kù)容較小，淹沒耕地浸出磷會(huì)造成庫(kù)區(qū)濃度較高，但隨著庫(kù)容增加，磷濃度會(huì)逐漸降低。前坪水庫(kù)作為淮河上游、北汝河上重要的大型水庫(kù)，其富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)防控是該水庫(kù)運(yùn)行管理中的重要課題，需要管理者綜合分析與科學(xué)管理■